JP2006251613A - 撮像レンズ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶レンズの応答速度を十分早くしても、レンズパワーが十分有り、小型化、薄型化が達成できる液晶レンズを備えた撮像レンズ装置を提供すること。
【解決手段】レンズ系と、このレンズ系を通して結像する光学像を撮像する撮像素子とを有する撮像レンズ装置において、レンズ系が複数個のユニットレンズを平面状に並べて配置された液晶レンズアレイを有する構成を採用した。また、このレンズ系は、複数枚のレンズアレイから構成され、この複数枚のレンズアレイの内の少なくとも１枚を、液晶レンズアレイとするのが望ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤセンサーやＣＭＯＳセンサー等の固体撮像素子とレンズ系を有する撮像レンズ装置に関する。さらに詳しくは、レンズ系に備えた液晶レンズアレイを構成する各液晶レンズのレンズパワーを、固定のレンズに対して相対的に高めて、液晶レンズによる焦点の可変調範囲、例えば、オートフォーカス範囲、ズーム比を大きくするとともに、携帯電話用の撮像レンズ装置の小型化、特に薄型化が達成させることができる撮像レンズ装置に関する。

撮像レンズ装置は、小型化・薄型化の要求があり、特に携帯電話に組み込む撮像レンズ装置の場合に、その要求は強い。この撮像レンズ装置は、レンズ系とＣＣＤセンサーやＣＭＯＳセンサーのような撮像素子との１対の組み合わせからなっている。

ここで、この撮像レンズ装置のサイズについて説明をする。
撮像レンズ装置の大きさを、レンズ光軸方向の長さと、それに直交する方向の平面サイズに分けて考える。平面サイズについては、撮像素子を例に考えると、画素サイズの制約から、画素数を上げると、相対的に撮像素子のサイズも大きくなる。例えば、２百万画素程度の画素数を有する撮像素子の場合、ＣＭＯＳセンサーでは、対角６ｍｍ程度が最小となっている。また、撮像素子への光線入射角度の最大値の限界から、レンズ系の外形サイズもセンサーより一回り程度しか小さくできず、オートフォーカスやズーム用の動作機構部を考えると、これよりもさらにサイズが大きくなる。

また、レンズ光軸方向の長さに関しても、平面サイズに比例して大きくなる傾向があり、レンズ系から撮像素子に至る距離もそれに比例して大きくなり、撮像レンズ装置を小さくするのには限界がある。さらに、解像度やディストーションの仕様により、この撮像レンズ装置に備えられるレンズ系も複数枚のレンズから構成されるものがほとんどであり、それに伴い、レンズ前玉先端から撮像素子までの光学長は、さらに大きくなる。

このように、撮像レンズ装置の小型化には限界があり、現状の携帯電話用の撮像レンズ装置を例に挙げると、レンズ系と撮像素子のサイズだけで、レンズ光軸方向の長さで１０
ｍｍ弱、平面方向サイズで１５ｍｍ弱の大きさとなってしまう。

また、この様な撮像レンズ装置には、オートフォーカス機能とともにズーム機能等を付加する要求があり、それを達成するために、レンズ系を構成する少なくとも１つのレンズをある範囲で動作させている。そして、この様な装置は、レンズ移動のためにモーターを備えたレンズ動作機構を有するため、撮像レンズ装置の構成はさらに複雑化し、装置サイズもさらに大きくなる。

これに対し、上述したレンズ動作機構を加える代わりに、可変パワーのレンズとして液晶レンズを従前からある固定レンズとともにレンズ系に組み込み、オートフォーカス機能やズーム機能を可動部無しに行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、従来の液晶レンズの２つの構成と作用について述べる。図６は、従来の液晶レンズの構成例を示す図面である。

図６に示す様に、従来の液晶レンズ（以下の説明で、この液晶レンズの形態を中凸球面型液晶レンズとして説明する。）は、内面に電極３３が形成されたレンズ形状の曲率面が
形成された上ガラス基板３１と、電極３４が形成された平板形状の下ガラス基板３２との間にホモジニアス配向の液晶層３５が挟持された構成となっている。そして、この中凸球面型液晶レンズは、上ガラス基板３１と液晶の屈折率差により、レンズ機能を持たせた形態となる。なお、本図面に示す液晶レンズでは、上ガラス基板３１のみに凹面形状が形成された例を示したが、下ガラス基板３２にも凹面形状を形成して、上下ガラス基板両方に凹面形状を有する構成としても構わない。

この中凸球面型液晶レンズにおける両電極３３，３４に電圧を印加すると、その電気力線方向に液晶分子長軸が揃う力が働き、液晶分子が立つ方向（図の上下方向）に変化する。これにより、液晶の屈折率を変化されるので、レンズパワーが変化して液晶レンズが可変焦点レンズとなる。

また、同じ目的を達成するための他の構成の液晶レンズも提案されている（例えば、特許文献２参照）。図７（ａ）は、従来の他の液晶レンズの構成例を示したものであり、図７（ｂ）は、その液晶レンズに配した電極パターン例を示したものである。図８は、図７に示した液晶レンズにおける電圧分布を示す図面である。

この従来の液晶レンズ（以下の説明で、この液晶レンズの形態を屈折率分布型液晶レンズとして説明をする。）は、図７（ａ）に示すように、この従来の液晶レンズでは、両方のガラス基板４１，４２に平板ガラスを用い、この一方のガラス基板４１に図７（ｂ）に示す複数個の輪帯電極４３を、他方のガラス基板に共通電極４４を備えた構成となっている。そして、両ガラス基板４１，４２間に配した液晶層４５に印加する電圧を、複数個の輪帯電極４３の中心からの距離ｒの関数として変化させて、液晶層の内側から外側に渡って所望の屈折率分布を形成することで、可変焦点レンズとして機能させることができるようになる。

そして、この液晶レンズにおける液晶層４５に印加する電圧は、中心からの距離ｒが等しい場所では同一の電圧が印加されるので、隣り合う輪帯電極４３で電圧値が段階的に変化するようになる。例えば、図８のグラフのような２次関数の電圧分布となるように、これら各輪帯電極４３に電圧を印加すると、それに伴い、液晶分子の立ち具合が変わり、屈折率分布を生じさせることができる。これにより、この屈折率分布型液晶レンズは、屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）として機能するようになり、この屈折率分布型液晶レンズが所望の屈折率分布となる様に、各輪対電極４３に印加する電圧値を変化させることにより、可変パワーレンズ（可変焦点レンズ）として機能させることができる。

特開２００１−２７２６４６号公報（第３−５頁、第１−３図） 特許第３０４７０８２号公報（第３−５頁、第１−４図）

先に示した様に、撮像レンズ装置は、携帯機器に搭載する用途の場合に装置の小型化・薄型化の要求があり、携帯電話にこの撮像レンズ装置を組み込む場合は、特に薄型化への要求が強い。そして、レンズ系に、前述した中凸球面型、または屈折率分布型液晶レンズに代表される可変焦点レンズが組み込まれ、オートフォーカス機能、あるいはズーム機能等を行う場合、モーター等の動作機構を省略することができ、ある程度の小型化が達成できる。

しかしながら、従来の液晶レンズでは、要求されるオートフォーカス機能やズーム機能を行うことができるだけの可変焦点範囲よりも、かなり狭い範囲でしか動作するものでしかなかった。そのため、元々レンズ移動のためにモーターを備えたレンズ動作機構を有す
る撮像レンズ装置に搭載されていた固定レンズに、液晶レンズを組み合わせた形態としなくてはならない。

したがって、撮像レンズ装置に液晶レンズを組込んだレンズ系の光路長は、モーターを備えたレンズ動作機構を有する撮像レンズ装置のレンズ系の光路長に比べてより長くなる傾向があり、装置の薄型化には限界がある。

また、オートフォーカス機能を達成するために、十分な可変焦点範囲で液晶レンズを働かせるためには、大きなレンズパワー調整範囲（広い可変焦点範囲）が必要であり、図７に示した屈折率分布型液晶レンズの場合、液晶の電圧印加、非印加時の屈折率差：Δｎを大きくするか、液晶層の厚さを大きくする必要がある。なお、図６に示した中凸球面型液晶レンズにおいては、球面形状の曲率を小さい曲率とするとともに、液晶層の厚さを厚くする必要がある。

この様に屈折率分布型液晶レンズを用いてレンズパワーを上げるためには、レンズ中心の輪帯電極４３と周辺部の輪対電極４３とを、通過する光の光路長の差を大きくとる必要がある。また、この屈折率分布型液晶レンズの場合、光路長差は液晶の屈折率差Δｎと液晶層の厚さｄの積によって決まるため、Δｎ及びｄをできるだけ大きくする必要がある。

例えば、屈折率分布型液晶レンズの有効径を１ｍｍ、屈折率差Δｎを０．２とすると、十分なオートフォーカス範囲（可変焦点範囲）をカバーするためには、液晶層の厚さは数十ミクロン必要となり、一般的な表示用液晶素子と比べて、５〜７倍の厚さとなってしまう。例え厚さｄを２０μｍとしても、液晶レンズ単体の焦点距離は、他の固定レンズと組み合わせないと１００ｍｍ以上となってしまい、携帯電話やデジタルカメラの撮像レンズ装置のレンズ焦点距離である数ｍｍのスペースには到底搭載できるものではなかった。この様に、従来の屈折率分布型液晶レンズの構成のままではレンズパワーの不足が特に課題となっていた。この現象は、中空型液晶レンズについても同様である。

また、Δｎやｄを大きくすることは、いずれの場合も、液晶の応答速度が遅くなり、特に液晶層の厚さｄを大きくすると、液晶の応答性についても問題となる。

さらに、オートフォーカス機能に加えてズーム機能を達成するためには、現状の携帯電話やデジタルカメラに組み込まれている撮像レンズ装置と同等のレンズパワーが液晶レンズに要求され、オートフォーカス機能に比較して桁違いのレンズパワーが必要となり、やはり現状の液晶レンズの可変焦点機能をズーム機能に用いることは不可能とされていた。

そこで、本発明は上記課題を解決し、液晶レンズの応答速度を十分早くしても、レンズパワーが十分有り、小型化、薄型化が達成できる液晶レンズを備えた撮像レンズ装置を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するために、本発明の撮像レンズ装置は、基本的に下記記載の構成を採用するものである。
本発明の撮像レンズ装置は、レンズ系と、このレンズ系を通して結像する光学像を撮像する撮像素子とを有する撮像レンズ装置において、レンズ系が複数個のユニットレンズを平面状に並べて配置された液晶レンズアレイを有することを特徴とするものである。

また、本発明の撮像レンズ装置は、ユニットレンズの光軸のずれ量が、ユニットレンズの収差より決められることが好ましい。

また、本発明の撮像レンズ装置は、前述したレンズ系が、複数枚のレンズアレイから構成され、この複数枚のレンズアレイの内の少なくとも１枚が、液晶レンズアレイであることが好ましい。

また、本発明の撮像レンズ装置は、前述した複数間のレンズアレイが少なくとも２つの液晶レンズアレイを備えることが好ましい。

また、本発明の撮像レンズ装置は、レンズ系が、前述したユニットレンズに対応させて、隣接するユニット間で直交する偏光透過軸となるように、各ユニットを市松状に配した２枚の偏光フィルターをさらに有し、この２枚の偏光フィルターを前述したレンズアレイを挟持してなることが好ましい。

また、本発明の撮像レンズ装置は、前述した撮像素子が、各ユニットレンズを透して得られるユニット像を光電変換する機能を有し、各ユニット像の個別のデータに基づいて、合成した画像を構築する演算装置をさらに有することが好ましい。

従来、最低限のオートフォーカス範囲をカバーするのに必要であった液晶レンズ仕様、例えば、液晶層のギャップ２０μｍ、液晶の屈折率Δｎ＝０．２の液晶レンズを使って、液晶レンズアレイを備えた撮像レンズ装置とすれば、可変焦点範囲を広くすることができ、より広い範囲のオートフォーカス範囲をカバーすることが可能となる。

また、本発明の撮像レンズ装置を用いて、液晶レンズアレイの集積率を変えることにより、各ユニットレンズを構成する液晶レンズの有効径を小さくし、相対的なレンズパワーを上げた焦点距離可変のズームレンズを構成させて、マクロ性能も向上をさせることができる。

また、本発明の撮像レンズ装置をオートフォーカスのみを行う場合は、ズームレンズに比べて可変焦点範囲の幅が小さくて済むので、上述した液晶層のギャップ（２０μｍ）をさらに狭くすることが可能であり、応答速度の向上が期待できる。さらに、一般的なディスプレイと同様の仕様で液晶レンズを設計することができ、作りやすさが向上し、ひいては液晶レンズの製造保留まりが向上する。

また、液晶レンズアレイにおけるユニットレンズを１０×１０のレンズアレイ化した場合、レンズの平面サイズは、従来の液晶レンズに対して１／１００程度に小さくすることができる。撮像レンズ装置の光路長も概ね１／１０となり、装置の厚さを大幅に縮小し、薄型化することができる。

本発明の撮像レンズ装置は、レンズ系と、このレンズ系を通して結像する光学像を撮像する撮像素子とを有し、このレンズ系が複数個のユニットレンズを平面状に並べて配置された液晶レンズアレイを有することに特徴を有するものである。以下に、本発明の撮像レンズ装置に関して、好適な実施形態を挙げて、図面を用いて説明する。

まず、本発明の撮像レンズ装置の構成例について、図面を用いて説明する。図１は、本実施形態における撮像レンズ装置を示す模式的な斜視図を示している。

本発明の撮像レンズ装置は、固定焦点距離となっているユニットレンズを平面方向に多数配列したレンズアレイ１と、レンズアレイ１における各ユニットレンズと対応するよう
に、このレンズアレイ１と同数の可変焦点型の液晶レンズを平面方向に配置した液晶レンズアレイ２とを有するレンズ系と、このレンズ系を通して結像する光学像を撮像する撮像素子３とより構成されている。そして、この撮像素子３より得られたユニット画像を演算装置４により画像処理を行い、全体像を再構築する形態となっている。また、この演算装置４からフォーカス情報を検出し、液晶駆動装置５を介して液晶レンズアレイ２を構成する各液晶レンズを駆動して、オートフォーカスを行えるようになっている。

このレンズアレイ１は、ガラスや透明樹脂に、ユニットレンズとなる凸形状や凹形状の球面を平面状に配列して構成することができる。具体的には、最終的に成型できるユニットレンズと凹凸が逆の金型を製作し、射出成型によりレンズアレイ１を作成する。なお、金型の設計により、ユニットレンズの個数や配置を自由に変更できる。また、ユニットレンズの面形状は、必要に応じて球面だけではなく、非球面の面形状としても構わない。また、このレンズアレイ１におけるユニットレンズを、平面内に屈折率分布を形成することで、各ユニットレンズにレンズ作用を持たせた形態としても構わない。

また、液晶レンズアレイ２は、前述した様に、レンズアレイ１における各ユニットレンズと対応する数及び位置に、ユニットレンズとして機能する液晶レンズを形成している。さらに、この液晶レンズは、従来例で示した中凸球面型液晶レンズ（図６参照）と同様に、上基板と下基板の間に、例えばホモジニアス配向の液晶層を挟持した構成になっており、液晶層の厚さは、一定の粒径を持った微粒子（スペーサ）をシール材に混在し、上基板、下基板を接着することで決められている。この上下基板には、ガラス基板を用いるのが一般的であるが、透明樹脂を用いて作成しても構わない。また、レンズアレイ１と同様に、予め各ユニットレンズを形成する所定の箇所に凹凸が形成された上下基板を用意して、その間に液晶を注入することで液晶レンズアレイ２を形成しても構わない。

さらに、先に示した形態に代えて、従来例で示した屈折率分布型液晶レンズ（図７参照）を用いて、液晶層に印加する電圧を中心からの距離ｒの関数として変化させて、レンズ機能を持たせた液晶レンズを平面状に複数個を配列して液晶レンズアレイ２を構成しても良い。

撮像素子３は、それぞれのユニットレンズに対応したユニット像を撮像した光学データを光電変換して、演算装置４に伝送する機能を有する。この撮像素子３の構成は、必ずしもそれぞれのユニットレンズに対応して分割されている必要は無く、一般的なＣＭＯＳセンサーやＣＣＤセンサーの画素領域を仮想的に各ユニット毎に割り振って、各ユニットレンズにより得られたユニット像を利用したデータを、まとめて演算装置に伝送するようになっている。

また、図１に示した撮像レンズ装置における光学系（物体像とレンズアレイ１と液晶レンズアレイ２と撮像素子３）の断面は、図２のようになっており、各ユニットレンズの光軸は、像全体の中で、各ユニットレンズが担当するユニット像の画角に対応し、隣接するユニットレンズ間で僅かずつずれた構成となっている。例えば、ある断面で画角が−２から＋２まであり、ユニット像が５個ある場合、レンズアレイ１が−２の画角を担当し、液晶レンズアレイ２が−１の画角を担当するというような構成とする。各ユニットレンズの画角は、最低でも全体の１／５は必要で、この場合は、各ユニット像を並列に並べることにより全体の光学像を再構築することができるようになる。しかしながら、実用上はそのように小さな画角とすることは無く、隣接するユニットレンズによるユニット像がオーバーラップするように構成し、オーバーラップ分は、平均化するなど、演算装置４により画像処理を行い、全体像を再構築すれば良い。その詳細な作用については、後段で説明する。

また、液晶レンズアレイ２を構成する各液晶レンズ（ユニットレンズ）は、レンズパワー可変なレンズであるので、初期状態のレンズパワーから、電圧印加により、正負の方向にレンズパワーを変化させることができ、この機能を利用し、オートフォーカスを行うことができるようになる。例えば、初期状態で物体距離を無限遠に合わせている場合、液晶レンズに印加する電圧を変化させ、液晶レンズのレンズパワーを大きくすることにより、より近距離側に焦点が合うようになる。

しかしながら、従来の液晶レンズのレンズパワー可変域では不十分であり、十分なマクロ機能を達成できなかった。また、この従来の液晶レンズは、少しでも可変焦点範囲の広い撮像レンズ装置を達成するために、液晶層の厚さを大きくする必要があり、このため、液晶の応答速度が遅くなり、オートフォーカスの時間も長くなるなどの弊害があった。

これに対し、上述した本発明の撮像レンズ装置の様に、従来の液晶レンズを上述した液晶レンズアレイ２に置き換えた構成とすることにより、各ユニットレンズに相当する液晶レンズの有効径を小さくすることができる。例えば、この液晶レンズアレイ２を１０×１０のユニットレンズによりアレイ化すれば、液晶レンズの有効面積は概ね１／１００となり、レンズパワーの可変長範囲は、従来のものに比べて１００倍になる。従って、従来の液晶レンズでは、数十ミクロン必要であった液晶層の厚さが、本発明の撮像レンズ装置における液晶レンズでは１ミクロンで十分となり、液晶の応答速度の大幅な向上が期待できる。また、液晶レンズにおける液晶層の厚さの自由度が広がる分、作りやすい任意の液晶層の厚さで所望の液晶レンズを形成することができ、液晶レンズの作りやすさが向上し、歩留まりの向上が期待できる。

また、本発明の撮像レンズ装置によれば、各液晶レンズで独立にパワーを変調することにより、各ユニットレンズが担当する各画角で最適なフォーカスを独立して調整することもできる。

ここで、前述した液晶レンズアレイ２の作用について説明をする。まず、レンズアレイ１と液晶レンズにより撮像する原理について簡単に述べる。

一般の撮像系の場合、１つのレンズ系と１つの像が１対１に対応した形態となっている。これに対して、本発明の様に、レンズアレイ１に示した様に集積光学系を採用した場合は、像面をレンズの数で分割して結像させることになる。例えば、１０×１０のレンズアレイの場合、像面を１０×１０に分割し、そのユニット像に対してレンズ系を構成すればよく、一つ一つのレンズの対応する画角を小さくすることができる。

上記構成における単純な構成について、図２を用いて説明する。図２はある方向の断面を示す模式図であり、３つのユニット像について図示した例を示している。

本図面に示すように、物体面は３つに分割され、撮像素子３もそれぞれ対応する３つに分割されているとする。それぞれのユニット像は、レンズアレイ１を構成する各ユニットレンズにより撮像素子３に結像されており、対応する物体と撮像素子３を結ぶ直線が光軸となっている。また、上述した様に、レンズアレイ１と液晶レンズアレイ２における各々のユニットレンズは、前述した様に、光軸が僅かずつずれた構成となっている。

この様な構成とすることにより、３つに分割された物体面は、対応するユニットレンズにより結像されて得られた各ユニット像から、最終的な画像を再構築することができるようになる。最も単純には、それぞれのユニット像をオーバーラップしないように光軸及び画角を設定すれば、それぞれのユニット像を並列に配置するだけで全体像を再構築することができるが、現実的には各ユニットレンズが担当する画角をもっと広く取り、それによ
り得られる各ユニット像をオーバーラップされた画像を取得して、そのデータを用いて、演算装置４にて最終的な画像を再構築すれば良い。

次に、光学系を分割する効果について述べる。
元のレンズ系を、焦点距離５ｍｍ、像サイズ５ｍｍ角とし、これを１０×１０に分割する場合を考える。そして、レンズ系を１／１０にスケーリングすると、焦点距離０．５ｍｍ、像サイズ０．５ｍｍ角となり、レンズ系と像面の距離も０．５ｍｍとなり、撮像レンズ装置で要求される厚さを０．５ｍｍと非常に薄くすることができる。

しかしながら、単純にスケーリングして、レンズアレイ１をマルチレンズ化しただけでは、１０×１０の同様の画像が得られるだけであり、それから所望の画像を再構築することはできない。そこで、実際には、各ユニットレンズの光軸は、適当な角度ずれを生じて配置して、それぞれに対応する画角のユニット像が撮像素子３に結像するようにし、更には、ユニットレンズの画角も調整した形態とする必要がある。

また、ユニットレンズの有効径についても、１／１０にスケールダウンされているため、液晶レンズ、ひいては液晶レンズアレイ２の相対的なレンズパワーを大きくすることができる。

ここで、液晶レンズのレンズパワーについて簡単に説明する。ここでは屈折率分布型液晶レンズを用いて、光波の波面を変換する場合について述べる。
焦点距離ｆのレンズに平面波が入射した場合、波面は平面から半径ｆの球面に変換される。高さｒの光線を考えた場合、主光線との光路差Ｘは、
Ｘ＝√（ｒ^２＋ｆ^２）−ｆ≒ｒ^２／２ｆ （式１）
となる。

一方で屈折率分布による光路差はΔｎｄ（ｄ：厚さ）となり、また、液晶レンズの屈折率分布をｎ＝ｎ_０＋Ａｒ²とすると、
Δｎｄ＝Ａｒ²ｄ （式２）
となり、（式１），（式２）を比較すると、レンズパワーΦは、
Φ＝1／ｆ＝２・Ａｄ （式３）
となる。

すなわち、液晶レンズのレンズパワーを高めるためには、係数Ａと液晶層の厚さｄを大きくする必要がある。ここで、係数Ａは、液晶の屈折率変化の傾きを表し、液晶レンズの有効半径ｒと液晶の屈折率差Δｎによる制限を受け、Ａｒ^２＜Δｎとなる。例えば、有効半径ｒ＝２ｍｍとし、液晶のΔｎ＝ｎ_ｅ−ｎ_ｏ=０．２とすると、Ａ＜０．０５となる。

これに対して、半径を１／１０とし、ｒ＝０．２ｍｍとすれば、係数Ａは、Ａ＜５と１００倍にまで緩和される。すなわち、液晶レンズをレンズアレイ化し、１０×１０の液晶レンズアレイ２とすると、半径は、１／１０となり、レンズパワーを、１００倍まで高めることができる。そしてこのスケーリングの倍率は、レンズパワーにおいては２乗で効果があるため、スケーリングによる縮小は、相対的なレンズパワーの増大の効果を持つことができる様になる。

以上の様に、レンズ系にレンズアレイ１とともに液晶レンズアレイ２を組み合わせた構成とし、この液晶レンズアレイ２における各液晶レンズに、従来、最低限のオートフォーカス範囲をカバーするのに必要であった液晶レンズ仕様、例えば、液晶層のギャップ２０μｍ、液晶の屈折率Δｎ＝０．２の液晶レンズを適用すれば、より広い範囲のオートフォーカス範囲をカバーすることが可能となり、マクロ性能を向上させることができる。また
、液晶レンズアレイ２の集積率を変えることにより、各ユニットレンズを構成する液晶レンズの有効径を小さくでき、相対的にレンズパワーを上げ、焦点距離可変のズームレンズを構成することもできる。

また、オートフォーカスのみを行う場合は、ズームレンズに比べて可変焦点範囲の幅が小さくて済むので、液晶層のギャップを狭くすることが可能となり、より液晶の応答速度の向上が期待できる。さらに、一般的なディスプレイと同様の仕様で液晶レンズを設計することができ、液晶レンズの作りやすさが向上し、ひいては保留まりが向上する。

また、１０×１０のレンズアレイ化をした場合、前述した様に、液晶レンズアレイ２の平面サイズは、従来の液晶レンズに対して１／１００程度に小さくできる。撮像レンズ装置の光路長も概ね１／１０となり、装置の厚さを大幅に縮小し、薄型化することができる。さらには、スケーリングの倍率を平面方向と厚み方向で変え、薄型化の効果を多少犠牲にすれば、すなわち焦点距離を長くすれば、液晶レンズアレイ２の相対的なパワーをさらに増大できる。その場合、一つのユニットレンズの対応する画角を小さくすることができるので、各ユニットレンズの収差設計は楽になる。しかしながら、入射角度の大きい領域を対応するユニットレンズは、光軸がユニットレンズ中心からずれるため、収差の影響を大きく受ける。これは、あらかじめ収差を計算し、収差を打ち消すように光軸のずれ量を設定しておくことで改善できる。

例えば、図６に示した中凸球面型液晶レンズの場合、ある入射角度を設定し、その位置での横収差を計算し、横収差を打ち消すように光軸を設定すれば、かなりの横収差の影響を廃除することができる。これはディストーションについても同様に光軸の設定で対応することができる。

また、液晶レンズアレイ２における液晶レンズの集積化をして、液晶レンズの有効径を１／１０とすれば、レンズパワーを１００倍にでき、ズームレンズを構成することができる。そして、この液晶レンズアレイ２の各液晶レンズ（ユニットレンズ）のレンズパワーを変えるとともに、撮像素子３とレンズ系の距離を変化させることにより、ズームレンズを構成することもできる。

次に、本発明の撮像レンズ装置における他の形態について図面を用いて説明する。図３は、本実施形態を説明する模式的な斜視図を示している。

本実施例の撮像レンズ装置と先に示した実施例１で示した形態との違いは、可変焦点型の液晶レンズアレイを複数枚用いている点であり、図３においては、レンズ系に第１の液晶レンズアレイ６１と第２の液晶レンズアレイ６２を用いた例を示している。なお、その他の構成は実施例１で示したのと同一であるので、ここでの詳細な説明は割愛する。

また、本実施例で示す撮像レンズ装置では、オートフォーカス機能に加えて、ズーム機能も兼ね備えた構成となっている。すなわち、第１の液晶レンズアレイ６１と第２の液晶レンズアレイ６２のパワーを調整し、被写体像の結像位置を変えずに、レンズ系全体の焦点距離を変更し、これにより、可動部無しのズーム機能を達成させることができるようになっている。

次に、このレンズ系をユニット光学系に分解して、ズーム機能について簡単に説明する。
可動部無しにズーム機能を達成するためには、像面の位置を固定としなくてはならず、１個の可変焦点型の液晶レンズのみでは成り立たない。つまり、最低２つの可変焦点の液
晶レンズが必要となる。図４は、液晶レンズを用いてズーム機能を達成する一つの例を示しており、本図面においては、第１の液晶レンズアレイ６１における１つの液晶レンズ（ユニットレンズ）７１と、それに対応する、第２の液晶レンズアレイ６２における１つの液晶レンズ（ユニットレンズ）７２における作用を示している。なお、本図面に示す符号７４は、第１、第２の液晶レンズアレイ６１，６２に入射する光の光軸を示している。

この様に構成された第１、第２の液晶レンズアレイ６１，６２における、各ユニットレンズ７１、７２のパワーを変更することにより、いわゆるテレフォトタイプとレトロフォーカスタイプのレンズを構成し、これにより像面を固定しながらにして焦点距離を変化させて、ズーム機能を達成することができる。すなわち、レンズ系の最終面から像面までの距離（バックフォーカス）を一定にしてレンズ系の焦点距離を変化させて、ズーム機能を達成することができる。

図４（ａ）は、テレフォトタイプのレンズの例を示しており、第１の液晶レンズ６１におけるユニットレンズ７１が凸レンズで、第２の液晶レンズ６２におけるユニットレンズ７２が凹レンズとなっている。このタイプのレンズ系は、射出瞳７３の位置が像面から遠くに設定されるため、バックフォーカスに比べて焦点距離を長くでき、これにより望遠側のレンズを構成できる。

また、図４（ｂ）は、レトロフォーカスタイプのレンズの例を示しており、ユニットレンズ７１が凹レンズで、ユニットレンズ７２が凸レンズとなっている。このタイプのレンズは、射出瞳７３の位置が像面から近くに設定されるため、バックフォーカスに比べて焦点距離を短くでき、これにより広角側のレンズを構成できる。

例えば、光路長５ｍｍで、焦点距離が４ｍｍから８ｍｍに変化するズーム比２のレンズを構成する場合、第１の液晶レンズ６１におけるユニットレンズ７１の焦点距離を６．８ｍｍから、−７．４ｍｍに変更するとともに、第２の液晶レンズ６２におけるユニットレンズ７２焦点距離を、３．４ｍｍから−３０．４ｍｍに変更することできる。

この様に、レンズ系を構成する液晶レンズアレイを複数枚から構成すれば、テレフォトタイプからレトロフォーカスタイプにレンズタイプに変更することができるので、レンズ系と撮像素子３との距離を変えなくても、レンズ動作機構を有さないズームレンズとすることができる様になる。

次に、本発明の撮像レンズ装置のさらに他の形態について、図面を用いて説明する。図５は、本実施例における撮像レンズ装置の構成例を示す模式的な斜視図を示している。

本発明の撮像レンズ装置における液晶レンズアレイ２と撮像素子３は、第１及び第２の実施形態と基本的に同様であるが、レンズアレイが液晶レンズアレイ２のみから構成され、しかもこの液晶レンズアレイ２の前面及び、液晶レンズアレイ２と撮像素子３の間に、それぞれ偏光フィルター８１，８２が配置されてレンズ系を構成している点が先の実施形態とは異なっている。この偏光フィルター８１，８２は、液晶レンズアレイ２の各ユニットレンズに対応して、市松状に偏光軸が直交する領域に分かれており、かつ各偏光フィルター８１，８２において、分割されたユニットにおける偏光軸は平行になっている。

ここで、上記構成とした理由について説明をする。
隣接するユニットには対応する画角があり、それを超える角度で入射した光線は、隣接するユニットの撮像素子に入射してしまうこととなる。この様な現象が起こると、クロストークが発生するという問題がある。そのため、本実施形態の様に、液晶レンズアレイ２
の両側に偏光フィルター８１，８２を配置してレンズ系を構成すれば、あるユニットレンズ（液晶レンズ）を通った光線は、上下左右の隣接するユニットレンズを透過せず、撮像素子３により得られるユニット像におけるクロストークを避けることができるようになる。

なお、上記説明では、偏光フィルター８１における分割されたユニットの透過偏光軸と、それに対応する、偏光フィルター８２における分割されたユニットの透過偏光軸とが平行となっている例を示したが、これに限定されるものではない。

つまり、上記構成で２枚の偏光フィルター８１，８２における各ユニットにおける透過偏光軸を平行としたのは、液晶レンズアレイ２における各ユニットレンズの全てに、ホモジニアス配向の液晶を用いて可変焦点型液晶レンズとしたことが前提となっていたからであり、上記構成のまま、例えば、液晶レンズアレイ２をＴＮ型液晶を用いて構成し
たら、撮像素子３に液晶レンズアレイ２を出射した光が到達しなくなってしまう。したがって、その様な場合は、液晶レンズアレイ２に入射する光の偏光成分と、これを出射する光の偏光成分に対応させて各偏光フィルターの透過偏光軸を任意に設定すれば、上述したクロストークを避けることができるという効果を得ることができるようになる。

また、本実施の形態では、レンズ系が１枚の液晶レンズアレイ２を有する構成例を示したが、実施例１に示した形態（図１参照）であるレンズアレイ１と液晶レンズアレイ２、または実施例２に示した形態（図３参照）である２枚の液晶レンズアレイ６１．６２の両側に、それぞれ上述した２枚の偏光フィルター８１，８２を配してレンズ系を構成しても構わない。

本発明の撮像レンズ装置の全体構成を示す模式的な斜視図である。（実施例１） 本発明の撮像レンズ装置に於ける光学系の作用を示す断面図である。（実施例１） 本発明の撮像レンズ装置の全体構成を示す模式的な斜視図である。（実施例２） 本発明の撮像レンズ装置の光学特性を説明するためのユニット光学系の断面図である。（実施例２） 本発明の撮像レンズ装置の全体構成を示す模式的な斜視図である。（実施例３） 従来の撮像レンズ装置に用いる液晶レンズの一例を示す断面図である。 従来の撮像レンズ装置に用いる液晶レンズの他の一例を示す平面図である。 従来の撮像レンズ装置に用いる液晶レンズの他の一例に印加する電圧分布を示すグラフである。

符号の説明

１ レンズアレイ
２ 液晶レンズアレイ
３ 撮像素子
４ 演算装置
５ 液晶駆動装置
６１ 第１の液晶レンズアレイ
６２ 第２の液晶レンズアレイ
７１，７２ 液晶レンズ（ユニットレンズ）
７３ 射出瞳
７４ 光軸
８１，８２ 偏光フィルター

Claims (6)

1. レンズ系と、前記レンズ系を通して結像する光学像を撮像する撮像素子とを有する撮像レンズ装置において、
   前記レンズ系は、複数個のユニットレンズを平面状に並べて配置された液晶レンズアレイを有することを特徴とする撮像レンズ装置。
2. 前記ユニットレンズの光軸のずれ量が、該ユニットレンズの収差により決められていることを特徴とする請求項１に記載の撮像レンズ装置。
3. 前記レンズ系は、複数枚のレンズアレイから構成され、前記複数枚のレンズアレイの内の少なくとも１枚が、前記液晶レンズアレイであることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像レンズ装置。
4. 前記複数枚のレンズアレイは、少なくとも２枚の液晶レンズアレイを有することを特徴とする請求項３に記載の撮像レンズ装置。
5. 前記レンズ系は、前記ユニットレンズに対応させて、隣接するユニット間で直交する偏光透過軸となるように、前記各ユニットを市松状に配した２枚の偏光フィルターをさらに有し、この２枚の偏光フィルターを前記レンズアレイに挟持させてなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像レンズ装置。
6. 前記撮像素子は、前記各ユニットレンズを透して得られるユニット像を光電変換する機能を有し、前記各ユニット像の個別のデータに基づいて、合成した画像を構築する演算装置をさらに有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の撮像レンズ装置。

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